[发明专利]一种光纤重力梯度仪及重力梯度测量方法

说明书

本发明公开了一种光纤重力梯度仪及重力梯度测量方法。本发明光纤重力梯度仪包括光信号相位调制器，干涉仪光路系统，用于接收光信号相位调制器输出调制后的信号光并产生干涉，其中该干涉仪光路系统的干涉光路上设有一光纤重力梯度探头，该光纤重力梯度探头与一驱动源连接，该驱动源用于控制该光纤重力梯度探头在竖直方向上振动，从而使该光纤重力梯度探头所在光路上的信号光相位变化；光电探测器，用于接收该干涉仪光路系统输出的信号光并将其转换为电信号；模数转换器将所述电信号转换为数字信号，并发送给解调系统进行解算，得到重力梯度。本发明可大大降低重力梯度的探测要求，快速、准确地测定重力梯度。

技术领域

本发明涉及一种光纤重力梯度仪及重力梯度测量方法，可用于卫星、航空、陆地、水下的地球重力梯度场测量，也适用于矿产资源开发、地质与地球物理勘探、地热田监测、地质灾害预警、地球深部构造研究、海洋学与气候学、惯性导航、军事反潜等工程及科研领域。

背景技术

地球空间存在着许多地球物理场，地球重力场就是其中之一。该场的基本物理场量为重力加速度，一般用符号表示。

根据一个力与其对应位势的一般关系，重力加速度等于重力位W的梯度：

其中：为哈密顿算子，

对重力加速度求取某方向的方向导数，即可得到重力加速度沿该方向的变化率，这一类方向导数称为重力梯度。重力梯度在数学形式上是重力位的二阶导数，在直角坐标系下，共有九个重力梯度分量，这些分量组成了一个梯度张量Γ，其表达式为：

式(2)所示的张量中，各个分量均表示一个重力梯度，且张量内的元素关于对角线对称，即W_xy＝W_yx、W_xz＝W_zx、W_yz＝W_zy。上述所有重力梯度分量构成了地球重力梯度场。

重力梯度的常用单位为厄缶，符号为E，E与SI单位制的换算关系为：1E＝10^-9/s²，1E的物理含义为：在1m的距离内，重力变化了10^-9m/s²，即10^-3g.u.；或者在1km的距离内，重力变化1g.u.。

目前，重力梯度仪的测量方案主要有两大类：扭矩法和差分法。

扭矩法的应用时间最早。19世纪90年代，匈牙利物理学家厄缶(1848-1919)针对重力梯度测量设计了一种扭秤，用以测量水平方向上的重力梯度，该扭秤是历史上第一台重力梯度仪。不过，使用这种扭秤获取一个点的重力梯度的时间较长，且受地形影响大。扭矩法的核心思想为利用力矩平衡方程测量重力梯度，该方法为间接通过力矩测量，一旦中间起到传带作用的因素发生变化(如弹性不稳定)，将严重影响到重力梯度解算值的精度；且由于间接测量量(即角度)的精度不够高，重力梯度的解算值精度也将受到影响；另外，该方法引入了一定的人为主观误差因素，比如机械扭摆横杆的定向。

差分法的核心思想为：先通过具有一致性的器件获取某几点的总加速度值或重力值。对于前者，通过合理的设计使重力梯度包含在某个表达式中，而后通过改变姿态，获得若干包含重力梯度的其它表达式，最后通过计算，求解重力梯度；对于后者，通过合理的设计或者一定的计算，将重力加速度信息保留下来，而后将两点间的重力加速度值做差分，并与梯度方向的距离相除，即得到该方向的重力梯度。以重力垂直梯度为例，如附图1所示，其中A、B分别代表两台重力仪(A点和B点同处于竖直方向(图示的z方向)上，两点在水平方向无平移)，垂向相距h，分别测得的重力加速度为g_A和g_B。根据差分法测量重力梯度的原理，重力垂直梯度根据位场理论：